Essai de traction sur des matériaux renforcés par des fibres

La résistance du matériau FRP est directement liée à la résistance des fibres individuelles et la quantité de fibres qui peuvent être placés dans une unité de volume. Théoriquement, on peut réaliser aussi haut que 90 % de fibres post-consommation par volume ; Toutefois, ce haut une densité de fibres sont impossibles par le biais de procédés de fabrication commerciale rentable. En règle générale, la plupart des applications matérielles FRP en génie civil ont environ 50-60 % fibres en volume.

Il existe plusieurs types de matériaux en PRF issu des différentes catégories de fibres, tels que les polymères renforcés de fibre de verre (PRFV), polymères renforcés de fibre de carbone (PRFC) et polymères renforcés de fibre d’aramide (brouillards). Aramides sont une classe de polymères synthétiques, semblables au nylon, qui présentent une force extraordinaire et la résistance au changement de température. Le tableau 1 montre la variété des différentes caractéristiques de chaque classe de fibres. Il doit être prudent lors de l’évaluation de l’aptitude des matériaux en matière plastique renforcée pour une application particulière afin de correspondre le matériau de base et des propriétés FRP, telles que garantissant des coefficients thermiques complémentaires d’expansion afin d’assurer le bon comportement à long terme. En outre, on doit confirmer qu’il y a un manque d’interaction chimique entre le FRP et le matériau de base, comme beaucoup de fibres et de résines sont sensibles à la corrosion, l’humidité et température élevée dans la fabrication et l’utilisation.

Le tableau 1. Propriétés des matériaux en matière plastique renforcée.

Au-delà de la simple application uniaxiale dans les armatures, il y a beaucoup d’applications qui utilisent des piles de fibres uniaxiales dans des directions aléatoires ou spécifiques pour créer des matériaux stratifiés.

Dans la plupart des cas, ces plaques sont encore orthotropes, mais cette fois avec deux directions fortes et une direction faible (hors de l’avion). Dans l’assemblage de ces structures, il y a trois définitions importantes à considérer. Un pli est une seule couche de mat de fibre ou feuille de pre-preg unique. Une feuille de pre-preg est un tapis de fibres imprégné de résine, pré mûris sous la chaleur, pression ou les deux et destinés à des applications de terrain où, par exemple, la feuille sera collée à une surface existante de la renforcer. Un stratifié est une pile durcie de plusieurs plis. Notez qu’un stratifié peut être composé de plis avec différentes fibres ou volumes de fibre, conduisant à une personnalisation aisée de la FRP pour son utilisation prévue. Les stratifiés sont utilisés où le PRF peuvent être appliqué à une surface lisse et qu’une couverture partielle est nécessaire ; plis et feuilles de pre-preg sont utilisés lors de l’emballage des éléments structurels entiers et où la surface est inégale.

Lorsque vous créez des stratifiés, la pression doit être appliqué pour faire sortir autant de résine que possible afin d’augmenter le volume de fibres. Certaines résines courantes utilisées dans les matériaux de PRF comprennent des polyesters, vinylesters et résines époxy. La fonction principale des résines est de transférer le stress entre les fibres adjacentes dans la matrice et de protéger les fibres de dommages mécaniques et environnementales. Résines polymères sont généralement produits pétrochimiques ou dérivés de gaz naturel et peuvent être de matières thermodurcissables ou thermoplastiques. Tandis que les résines thermodurcissables ne peuvent pas se déformer après durcissement, thermoplastiques, tels que les polyesters et les esters de vinyle, sont déformés et réticulé à guérir, et conférant une plus grande résistance thermique. Les deux types de polymères peuvent être utilisés dans les matériaux composites et peuvent bénéficier en combinaison avec des fibres de renfort. Cependant, la plupart des polymères thermoplastiques n’est pas utilisée sous forme composite, car ils présentent déjà haute résistance, alors que les polymères thermodurcissables exigent généralement des volumes haute fibre de fibres solides afin d’atteindre la même force. Thermodurcissables sont le polymère dominant dans l’industrie des composites actuel, comme la grande variété de polymères disponibles peut satisfaire pratiquement toutes les applications imaginables utilisation finale. Les résines polymères sont sélectionnées et adaptées à chaque application individuelle, fortement basée sur les propriétés physiques et mécaniques du produit et les exigences de processus de fabrication.

Le renfort des fibres et résines, s’ajoutent également des charges et additifs qui jouent un rôle important dans le système composite. Charges et additifs traitez des aides que conférer des propriétés « spéciales » afin d’adapter le produit final à la spécification désirée. Charges ou extendeurs sont utilisés dans de nombreux systèmes de matériaux composites et ont trois fonctions principales :

1. Afin d’améliorer certaines propriétés mécaniques, comme la résistance à la compression, résistance au feu, propagation de la fissure et résistance aux produits chimique.
2. Pour améliorer la capacité de transformation du système composites, tels que l’uniformité des caractéristiques physiques et de finition de surface.
3. Pour réduire les coûts des matières en remplaçant certains des polymères plus cher et renforcement du système.

Certaines charges communes incluent le carbonate de calcium, d’argile, talc, silice, mica et microsphères ; Cependant, le plus commun de remplissage est le carbonate de calcium à cause de son faible coût et la disponibilité.

En revanche, les additifs couvrent un vaste éventail de différents matériaux qui sont utilisés en quantités relativement petites, mais néanmoins jouer un rôle essentiel dans les performances de traitement et le produit final du composite. Additifs jouent une multitude de rôles, tels que :

1. Pour modifier le taux de guérison.
2. Pour prolonger la durée de vie et éviter le rétrécissement.
3. Pour améliorer la résistance aux intempéries et réduire la viscosité.
4. Pour ajouter de la couleur et réduire la porosité.

Certains additifs communs comprennent des catalyseurs et promoteurs, utilisés pour influencer la guérison de polymères thermodurcissables, inhibiteurs, à contrôler la réaction de thermodurcissables, agents, afin de permettre des pièces pour être que plus faciles à enlever de leur moule, mais aussi des pigments, UV absorbeurs, de démoulage et feu bromés.

Si l'on considère l’ensemble du système matériel FRP (fibres, résine, charges et additifs), les principaux facteurs influant sur les propriétés mécaniques de FRP sont le type de renfort en fibre, volume de fibres, orientation des fibres, le type de résine, fabrication, et contrôle de la qualité.

Pour les trois principales classes de fibres utilisées dans les PRF - carbone, aramide et verre-le comportement de contrainte-déformation à l’échec est essentiellement linéairement élastiques et les fibres ont la capacité de déformation très basse. Cette caractéristique entraîne des défaillances soudaines, sans aucune preuve de la ductilité.

Que la modélisation de comportement de la fibre et la matrice, soit la capacité de la souche de la résine ou la fibre peut régir le comportement mécanique. Dans la pratique, le matériel sera très hétérogène à la petite échelle entre les fibres et la matrice ; Toutefois, aux fins de modélisation et de conception, nous estimons homogène d’un degré équivalent d’élasticité basée sur la règle des mélanges. La règle des mélanges dicte que les différentes propriétés des matériaux composites sera le résultat de la moyenne pondérée des pièces constitutives, soit en parallèle ou en série. Avant la fissuration des fibres dans les matériaux en matière plastique renforcée ou la fissuration de la matrice de la FRC, le matériau composite se comporte conformément à la règle des mélanges :

Σ_c = σ_mV_m + Ση_fiσ_fiV_fi
V _m + ΣV_fi = 1

Σ_c = résistance du composite
V_m = fraction volumique des fibres
Σ_m = résistance de la matrice
V_m = fraction volumique de la matrice
Σ_fi = résistance des fibres

où,
N_f = 0,375, pour les fibres au hasard
N_f = 1, pour les fibres unidirectionnelles a souligné en direction de fibre
N_f = 0, pour les fibres unidirectionnelles a souligné perpendiculaire à la direction de fibre

Une équation similaire peut être utilisée pour le calcul du module d’élasticité E (_c) d’un composite. Un tissu composite hybride tissé composé de fibres d’aramide (s_f1 = 500 000 lb/po2, E_f1 = 50 x 10⁶ psi) et de fibres de carbone (s_f2 = 300 000 lb/po2 et, E_f2 = 15 x 10⁶ psi) dans une matrice époxy (s,_m = 8 000 lb/po2 et E_m = 0.50x10⁶ lb/po2). Dans ce tissu, les fibres de carbone dans la direction de^o 0, et les fibres d’aramide piste en direction de 90^o . La fraction du volume total de fibre est de 0,60, avec un volume égal de fibres de carbone et d’aramide. Les points forts et le module dans les deux directions perpendiculaires sont :

s_{c, 0 °} = s_m V_m + S h_fis_fi V_fi = (8)(0.4)+(300)(0.6) = ksi 183,2 = s₁

s_{c, 90 °} = s_m V_m + S h_fis_fi V_fi = (8)(0.4)+(500)(0.6) = ksi 303.2 = s₂

E_{c, 0 °} = E_m V_m + S h_fiE_fi V_fi = (0.5)(0.4) + (50)(0.6) = 30,2 x 10⁶ ksi = E₁

E_{c, 90}° = E_m V_m + S h_fiE_fi V_fi = (0.5)(0.4) + (15)(0.6) = 9,2 x 10⁶ ksi = E₂

En outre, lors de la conception de matériaux en PRF, les fibres doivent être suffisamment longtemps pour briser, mais ne tirez pas sur le matériel. Pour les applications courantes, les fibres ne sont plus assez longues, mais néanmoins doivent être considérés une condition de conception.

Afin de démontrer et de comparer le comportement de contrainte-déformation de deux types de FRP, un verre relativement faible en matière plastique renforcée et une forte carbone FRP, simple tension des tests seront effectués comme décrit ci-après. Une question importante en testant ces matériaux, c’est que la matrice souple peut être facilement endommagée par les poignées de métal dures, conduisant à des échecs aux abords des poignées. Les tests qui échouent dans cette manière ne sont généralement pas considérés pour produire des résultats valides. Une procédure simple qui a donné des résultats satisfaisants est décrite ci-dessous.

1. Prendre des précautions de sécurité appropriées et de porter une protection oculaire, car l’échec explosif typique de ces spécimens envoie de nombreux tessons de petits, pointus battant.
2. Obtenir quatre spécimens FRP. Deux seront d’une plaque de verre E FRP unidirectionnelle 0,5 pouce coupée en 1 "x 8" spécimens, un long de la direction des fibres et perpendiculaire aux fibres. Les spécimens de troisième sera un carbone de 0,25 pouce d’armature PRF, et le quatrième sera un rebar FRP E-verre 0.25. Les spécimens de barres d’armature doivent être d’environ 24 pouces de long.
3. Fixez titulaires pour l’instrument en incorporant des extrémités des spécimens de 12 po en un peu plus ronde en acier et sections rectangulaires et remplissage les espaces vides avec de l’époxy de haute résistance. Laissez le traitement époxy selon les spécifications du fabricant. Ce type de connexion de fin est nécessaire car les dentelures des poignées de UTM conventionnelles détruira la résine et conduire à des échecs de fin prématurée.
4. Procéder de la même manière que les autres tests de tension en tournant sur l’UTM et initialisation de son logiciel.
5. Insérez les spécimens dans les poignées et les serrer.
6. Charger les spécimens dans contrôle de déviation à un taux d’environ 0,2 pouces par minute.
7. Si un extensomètre est utilisé pour mesurer le module de Young, veillez à démonter il à une souche de 0,01.
8. Comme l’échantillon commence à faiblir, surgissent des sons et des petits éclats commencera à tomber le spécimen, suivi d’un échec d’explosif du matériau, qui se sépare en une structure fibreuse de la fleur.

Courbes de contrainte-déformation typique pour les spécimens de plaque de verre E FRP sont indiqués pour la plaque avec les deux couches uniaxiales alignés longitudinalement (Fig. 1) et respectivement perpendiculairement (Fig. 2) à la direction du chargement. Dans le cas de la parallèle de la charge appliquée aux fibres (Fig. 1), la force maximale a été 12,32 kips, correspondant à une résistance à la traction de 98,6 ksi. La défaillance s’est produite à une souche de 2,98 % et le module d’élasticité, calculé à partir d’une ligne tangente à 30 % de la charge ultime, a 5686 ksi. Puisqu’un extensomètre n’était pas utilisée, cette valeur devrait être prise uniquement comme indicative du module de Young. Le comportement est essentiellement linéaire à l’échec. Les résultats sont raisonnables pour un matériau spécifié au volume de fibres de verre E 50 %.

Figure 1 : Courbes de contrainte-déformation de la plaque de verre E FRP : charge appliquée parallèlement avec les fibres.

Dans le cas de la perpendiculaire de la charge appliquée aux fibres (Fig. 2), la force maximale était de 2,72 kips, correspondant à une résistance à la traction de 10,9 ksi. La défaillance s’est produite à une souche de 2,24 et le module d’élasticité, calculé à partir d’une ligne tangente à 30 % de la charge ultime, était de 640 ksi.

Figure 2 : Courbes de contrainte-déformation de la plaque de verre E FRP : charge appliquée perpendiculairement aux fibres.

Comme prévu, il y avait une très grande différence entre les deux directions, comme illustré dans le graphique de comparaison (Fig. 3). Cela met l’accent sur la tailorability des biens matériels ; dans ce cas, nous avons un matériau qui est fort dans une direction et faible dans l’autre.

Figure 3 : Courbes de contrainte-déformation de la plaque de verre E FRP : charge appliquée parallèlement (bleu) et respectivement, perpendiculaire (orange) pour les fibres.

Les surfaces de rupture en témoignent, avec celui pour les fibres alignés longitudinalement montrant nombreuses fibres cassées et celui avec les fibres alignement perpendiculairement montrant la surface typique d’un échec de la résine à une interface.

L’intrigue de la figure 4 montre une comparaison du comportement des barres de PRF. Il y a une baisse très importante de force (un facteur d’environ 2) et le module d’élasticité (environ un facteur de 4) baisse si l'on compare le carbone FRP et les courbes en matière plastique renforcée de verre E. Tous ces matériaux de PRF peuvent être vu d’avoir très peu ou aucune ductilité, omettant immédiatement après leur charge maximale.

Figure 4 : Contraintes-déformations linéarisées courbes pour E-glass (orange) et respectivement, barres de PRF carbone (bleu).

Matériaux en PRF sont légers, solides composites largement utilisés dans des applications aussi bien civiles, mécaniques et aérospatiales. Ils sont constitués de fibres solides noyés dans une résine ou matrice semblable, et ils sont fabriqués sous de nombreuses formes, y compris les bandes prepeg et stratifiés. Leur résistance et la rigidité peuvent être adaptés en faisant varier les quantités et types directionnalité des fibres. Matériaux en PRF ont une capacité de déformation beaucoup plus petite que les métaux ou les polymères et donnent peu d’avertissement d’échec, sont donc importants d’étudier la manière et la mécanique de la rupture.

Matériaux en PRF sont utilisés dans une myriade d’applications de génie civil de transport de matériaux de construction, marines aux applications électroniques et des produits de consommation même de materiel professionnel. Il y a des poteaux de PRFV et tours pour accrocher des lignes électriques et téléphoniques, cages d’escalier FRP et stationnements, toiture de FRP, renforcement de la digue, ailes marines PRF et ancrage au sol pour n’en nommer que quelques-uns. Ils sont également largement utilisés pour renforcer et réparer les structures.

Plusieurs structures de la route, tels que le système de pont Prodeck et Auto Skyway, emploient des matériaux en PRF pour aider à renforcer et à soutenir les charges qui traversent le pont dans les voiries. Même les garde-corps que l'on voit sur les côtés des routes peuvent être construits avec des matériaux en matière plastique renforcée. Matériaux en PRF sont également utilisés pour transporter des personnes sur les ponts piétonniers, tels que le pont de Club de Golf de Feldy Aber en Écosse et la passerelle du château de tige en Cumbrie, U.K.

De nombreuses applications marines utilisent des matériaux en PRF pour leur résistance à la corrosion et de sel. FRP est largement utilisé dans l’industrie nautique, ainsi que pour les canalisations et structures navales. Matériaux en PRF sont considérés non seulement dans les applications pratiques de construction, mais aussi au plaisir des applications, comme dans les formes architecturales artistiques et des montagnes russes. La sculpture de tir flèche à San Francisco, nommé « Cupidon fusionnées », est composée de matériaux de PRF, comme le sont les piédestaux de nombreuses montagnes russes à Six Flags dans tout le pays.